Контроль відстаней до пошкоджень в низькочастотній лінії зв’язку імпульсним та фазовим методами, що використовуються почергово

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет технологій та дизайну

УДК 621.371.3+621.371.332

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Контроль відстаней до пошкоджень в низькочастотній лінії зв'язку імпульсним та фазовим методами, що використовуються почергово

Спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Горященко Костянтин Леонідович

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис. провідник лінія зв'язок

Робота виконана у Хмельницькому національному університеті
Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, професор ТРОЦИШИН Іван Васильович,Хмельницький національний університет, завідувач кафедри проектування та конструювання радіоелектронних засобів, Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор СКРИПНИК Юрій Олексійович, Київський національний університет технологій та дизайну, професор кафедри автоматизації і комп'ютерних систем, Міністерства освіти і науки України

кандидат технічних наук, доцент РЕПА Федір Михайлович, Національний технічний університет України “КПІ” (м. Київ), доцент кафедри теоретичних основ радіотехніки, Міністерства освіти і науки України

Провідна установа:

Національний технічний університет “ХПІ”, кафедра приладів та методів неруйнівного контролю, Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться “16 “ грудня 2005 р. о 13 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.01 у Київському національному університеті технологій та дизайну за адресою: 01011, м. Київ, Немировича-Данченка 2, конференц-зал, корпус 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського національного університету технологій та дизайну за адресою: 01011, м. Київ, Немировича-Данченка 2, корпус 2.

Автореферат розісланий “15“ листопада 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., професор Березненко С.М.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Лінії зв'язку складають велику частку в існуючій системі передачі даних, що обумовлено зручністю при проведенні з'єднань, високим коефіцієнтом корисної дії, незмінністю хвильового опору лінії. Провідникові лінії зв'язку часто є єдиним засобом забезпечення передачі даних із найменшими втратами та рівнем помилок. Якість самої лінії зв'язку визначає якість передачі від передаючого приладу до приймаючого.

Під впливом різних зовнішніх та внутрішніх факторів, у лінії виникають зміни її внутрішньої структури - неоднорідності. Для кожного з існуючих типів ліній більшу чи меншу роль грають різні типи пошкоджень, що можуть виникати у лінії під час її експлуатації. Базові типи неоднорідностей та пошкоджень, що виникають, це: замикання між жилами або між жилою та екраном та обриви (так звані “кінцеві” неоднорідності); зміна фізичних параметрів лінії, таких як поздовжній опір, ємність між жилами (“часткові” неоднорідності).

Існують різні методи пошуку цих пошкоджень - вимірювання опору між жилами, імпульсний, вимірювання зсуву фаз. Найбільш поширений - імпульсний метод, який забезпечує високу точність вимірювання у високочастотних лініях, однак для низькочастотних (НЧ) ліній відомі методи вимірювання відстаней до пошкоджень не можуть забезпечити прийнятно високу розрізнювальну здатність, яка виражається у десятках та сотнях метрів.

Актуальність вимірювання характеристик ліній зв'язку обумовлена необхідністю оперативно контролювати та визначати параметри НЧ лінії зв'язку та визначити відстань до пошкоджень із більшою точністю, ніж та, що забезпечується сучасними методами. Вирішення цієї задачі дає можливість підвищити точність визначення відстаней та зменшити час, необхідний для усунення пошкоджень.

Зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась на кафедрі проектування та конструювання радіоелектронних засобів Технологічного університету Поділля (Хмельницький національний університет з 2004 р.) згідно з планами науково-дослідних робіт ТУП 1Б-98 “Розробка та дослідження фазочастотних методів вимірювання параметрів сигналів із кутовою модуляцією” (№ ДР 0198U002445, 1998-2001 рр.), “Розробка фазочастотних віскозиметричних приладів контролю динамічної в'язкості ньютонівської рідини” (№ ДР 0103U001207, 2001-2004 рр.), 2Б-2005 “Теорія фазочастотних вимірювань та перетворювання радіосигналів та напрямки її застосування” (№ ДР 0105U000722, 2005 р.).

Мета і завдання дослідження.

Метою дисертаційної роботи є підвищення точності та швидкості визначення відстаней до кількох пошкоджень у провідникових НЧ лініях зв'язку шляхом почергового використання імпульсного та фазового методів вимірювання параметрів лінії зв'язку.

Об'єктом дослідження є процес вимірювання відстаней до пошкоджень у низькочастотних провідникових лініях зв'язку.

Предметом дослідження є почерговий імпульсно-фазовий метод вимірювання відстаней до декількох пошкоджень у лінії зв'язку.

Завдання дослідження:

1. Провести огляд та аналіз існуючих методів визначення відстаней до пошкоджень у провідникових лініях зв'язку у випадку, коли їх більше ніж одна.

2. Встановити можливі шляхи підвищення точності та швидкості вимірювання відстаней до місця пошкодження.

3. Провести аналіз моделі низькочастотної лінії зв'язку, визначити її особливості та встановити спрощення.

4. Для уточнення відстаней до пошкоджень, розробити математичну модель та метод контролю відстаней до пошкоджень у НЧ лінії зв'язку шляхом використання результатів визначення імпульсним та уточнення їх фазовим методом.

5. Розробити структурну схему автоматизованого вимірювача, що реалізує запропонований метод контролю.

6. Встановити джерела виникнення та провести аналіз методичних та інструментальних похибок. Запропонувати шляхи їх зменшення.

7. Розробити методику моделювання оцінювання метрологічних характеристик вимірювача відстаней.

Методи дослідження - при розв'язанні перерахованих вище задач використовувались теоретико-експериментальні методи. Використаний математичний апарат теорії диференційного та інтегрального числення, теорії похибок, численні методи аналізу, методи комп'ютерного моделювання, методи розв'язку нелінійних рівнянь.

Наукова новизна результатів. В дисертаційній роботі одержані таки результати:

1. Встановлено, що задача підвищення точності вимірювання відстаней у низькочастотній лінії зв'язку, для випадку двох та більше пошкоджень, не вирішується окремо або імпульсним або фазовим методом. Встановлено, що використання сукупних вимірювань підвищує вірогідність контролю стану низькочастотної лінії, і застосування, послідовно, імпульсного та фазового методів дає можливість підвищити потенційну здатність зменшення похибки вимірювання до пошкоджень на два порядки.

2. Вперше розроблено спрощену модель низькочастотної лінії зв'язку для випадку двох пошкоджень, де перше пошкодження - зміна повздовжнього або хвильового опору, друге - коротке замикання або розрив. Встановлено адекватність даної моделі. Визначено, що для імпульсного сигналу немає явища інтерференції відбитого сигналу із сигналом, що зондує лінію; при рівних значеннях амплітуди зондуючих імпульсного сигналу та гармонійного сигналу, значення амплітуд відбиття будуть однаковими у обох випадках.

3. Розроблена спрощена модель низькочастотної лінії зв'язку для випадку двох пошкоджень дозволила вперше розробити послідовний імпульсно-фазовий метод контролю та вимірювання відстаней до пошкоджень в низькочастотній лінії зв'язку.

4. Вперше розроблено почерговий імпульсно-фазовий метод контролю та вимірювання відстаней до пошкоджень в низькочастотній лінії зв'язку, що полягає у використанні результатів, отриманих при розділених у часі застосуванні методу імпульсної рефлектометрії та методу вимірювання кутів зсуву фази на різних частотах. Встановлено, що запропонований метод дозволяє зменшити похибку вимірювання відстаней до пошкоджень більше ніж на один порядок.

5. Знайдено, згідно розробленої автором системи критеріїв, умови визначення оптимальних частот, які використовуються для уточнення значень відстаней, що отримані імпульсним методом, шляхом вимірювання фазових зсувів на визначених частотах із використанням алгоритму підвищення точності місцезнаходження пошкоджень.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність роботи полягає у тому, що:

1. Розроблено структурну схему вимірювача відстаней до пошкоджень у низькочастотній лінії зв'язку із використанням запропонованого почергового імпульсно-фазового методу. На основі структурної схеми розроблено функціональну схему автоматизованого вимірювача.

2. Проведені експериментальні дослідження показали для випадку двох пошкоджень показали, що запропонований вимірювач відстаней до пошкоджень має більшу точність вимірювання відстаней до пошкоджень у порівнянні із класичними приладами на один порядок.

3. Розроблено інженерну методику оцінки метрологічних характеристик вимірювача відстаней до пошкоджень, що реалізує запропонований почерговий імпульсно-фазовий метод.

Дослідження роботи розробленого пристрою проведено за участі ТОВ “А-Струм” (м. Хмельницький) та ДП “Рембудтранс” ВАТ “Хмельницькбудтранс” (м. Хмельницький). Впровадження підтверджуються відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. Дисертантом у [8, 9] проаналізовано існуючи методи вимірювання відстаней до пошкоджень; у [5, 10, 11] запропоновано та розглянуто послідовний імпульсно-фазовий метод вимірювання; у [6, 7] розроблено та досліджено структурну схему вимірювача відстаней до пошкоджень; у [4] викладені результати проведеного дослідження запропонованого методу із використанням вже існуючого обладнання, що реалізує запропоновану структурну схему; у [1, 12] розглянуто обґрунтування вибору блоку аналогово-цифрового перетворювача (АЦП). У [3] запропоновано реалізацію генератора сигналів на базі МС ОЗП великої ємності. В [2] досліджено критерії визначення оптимальних частот, на яких виконуються вимірювання кутів зсувів фаз з умови розв'язку системи нелінійних рівнянь.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати проведених досліджень у дисертаційній роботі доповідалися та обговорювалися на міжнародних та всеукраїнських конференціях, а саме: 6-й Міжнародний молодіжний форум “Радіоелектроніка та молодь у ХХІ столітті” (м. Харків); 9-та та 10-та Міжнародні науково-практичні конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (м. Хмельницький); Міжнародні науково-практичні конференції “Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів (МПСАВП) - 2002”, “МПСАВП - 2004”, “МПСАВП - 2005” (м. Хмельницький); Конференція молодих вчених та студентів “Наукові розробки молоді на сучасному етапі - 2003” (м. Київ).

Публікації. Основний зміст роботи висвітлено у 12 наукових публікаціях, у тому числі 7 статей у наукових журналах, що входять до переліку ВАК України, 2 статей у збірниках наукових праць, 1 тезах доповідей, 2 патентах України на винахід.

Структура та об'єм роботи.

Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, основних висновків з роботи, списку використаних джерел (140 бібліографічних посилань, 12 сторінок) та 7-и додатків (24 сторінки). Загальний обсяг дисертації, в якому викладено основних зміст, складається з 160 сторінок і містить 68 рисунків, 18 таблиць. Повний обсяг дисертації - 196 сторінок. Додатки містять пояснювальну та довідникову інформацію, приведений варіант програми ітераційного розв'язку та акти впровадження дисертаційної роботи.

Короткий зміст роботи

У вступі викладено актуальність проблеми досліджень, вказаний зв'язок із науковими програмами, планами та темами. Вказано мету та завдання досліджень. Проведено характеристику наукової новизни і практичного значення отриманих результатів, а також їх впровадження і апробації.

У першому розділі проведено аналіз існуючих методів визначення відстаней до пошкоджень у лініях зв'язку; виявлені протиріччя, що обмежують можливість визначення кількості та характеру пошкоджень у лінії. Показано, що існуючи методи вимірювання відстаней до пошкоджень можна розділити за характером вимірювання на: статичні (визначення неперервним сигналом) та динамічні (за допомогою зондування короткими імпульсами). Проведений аналізу показав, що вже існуючі методи не дозволяють вирішити задачу визначення відстаней до декількох пошкоджень із достатньо високою точністю у низькочастотних лініях зв'язку через таки причини: 1) неперервні у часі сигнали не дозволяють розрізнити кількість пошкоджень; 2) імпульсні сигнали обмежені за частотою за рахунок впливу залежності затухання від частоти та дисперсії сигналу у лінії.

Показано, що задача зменшення похибки вимірювання відстаней до пошкоджень може бути вирішена шляхом використання результатів імпульсної рефлектометрії та уточнена використанням вимірювання кутів зсувів фаз на різних частотах. Для вирішення задачі запропоновано використання імпульсно-фазового методу, який показано на класифікації методів вимірювання відстаней до пошкоджень (рис. 1).

Рис. 1. Класифікація методів вимірювання відстаней до пошкоджень

У другому розділі досліджено нову спрощену модель низькочастотної лінії зв'язку у випадку двох пошкоджень (рис. 2). Лінія являє собою лінію із розподіленими RC-параметрами, для якої властиве явище частотної дисперсії.

При зондуванні лінії постійним гармонійним сигналом, на початку лінії, в точці підключення джерела сигналу до лінії, відбувається інтерференція зондуючого сигналу , відбитого від першого пошкодження сигналу та - сигналом, що пройшов через перше пошкодження з другої частини лінії, тобто:

Рис. 2. Еквівалентна схема лінії із двома пошкодженнями: A, B - пошкодження в лінії, - елементарна частина лінії, , , , - погонний комплексний опір, , , , - погонна комплексна провідність, , -напруга та струм на вході лінії.

,

де - коефіцієнт відбиття від -го пошкодження;

- падаючий (зондуючий) сигнал.

При проходженні імпульсного сигналу, сигнал відбиття можна описати як:

При розробці моделі лінії прийняті наступні обмеження:

1) параметри для кожної частини лінії є однаковими, крім частин, які мають суттєві відхилення у своїх внутрішніх параметрах - неоднорідностях;

2) якщо при відбитті максимальне значення сигналу зменшується більш ніж у 10 раз, то багатократними перевідбиттями можна знехтувати та із достатньою точністю можна вважати сумарний сигнал рівним сумі сигналів, відбитих від кожного пошкодження.

Встановлено, що як джерело інформації про стан лінії можна використовувати значення кутів зсувів фази відбитих сигналів, визначених на різних частотах.

Також встановлено, що існуючи методики оцінювання стану лінії зв'язку та визначення пошкоджень, які вносять відхилення у загальні параметри лінії, мають недоліки через неадекватність оцінювання отриманої імпульсної рефлектограми.

У третьому розділі проведено аналіз можливих шляхів підвищення точності вимірювання. Встановлено існування залежності сумарного зсуву фаз від характеру та кількості пошкоджень. Встановлено:

1) метод вимірювання кутів зсуву фаз дозволяє отримати більшу точність вимірювання ніж імпульсний метод при однакових умовах;

2) значення кутів зсувів фаз, отриманих на різних частотах для провідникової ліній зв'язку, утворюють ряд значень, що можуть бути використані для визначення характеристики стану лінії.

Запропоновано використання послідовного імпульсно-фазового методу вимірювання відстаней до пошкоджень у низькочастотній провідниковій лінії зв'язку та виконаний аналіз необхідних величин, які потрібно визначати під час проведення імпульсних та фазових вимірювань, це:

1) для імпульсної рефлектометрії:

- час появи кожного відбиття, ;

- кількість пошкоджень, ;

- амплітуди відбиттів від кожного пошкодження, .

2) для вимірювання кутів зсуву фаз:

- кути зсув фаз між зондуючим сигналом та відбитим на ряді
відомих частот, ;

- амплітуди відбитого сумарного сигналу .

Встановлено, що при рівності амплітуд зондуючих імпульсного та гармонійного сигналів для однієї і тієї ж лінії, значення амплітуд відбиттів від кожного пошкодження є рівними у обох вимірюваннях. Отримані результати зондування лінії імпульсним сигналом можна використати для розрахунку сумарного гармонійного сигналу, що відбиваються від пошкоджень. Цей отриманій результат і можна використати у порівнянні із виміряним значенням сумарного гармонійного сигналу, визначеного фазовим методом.

При зондуванні лінії гармонійним сигналом виду , від кожного пошкодження виникають відбиття виду:

	(1)

де , , ..., - амплітуди відбитих сигналів, прийняті на кінці лінії; , , ..., - кут зсувів фаз між відбитими сигналами та зондуючим сигналом.

Ці сигнали додаються між собою і на виході лінії виникає інтерференція сигналів. У загальному вигляді цей сигнал після перетворення можна записати як:

	(2)

Враховуючи, що

система рівнянь (1), використовуючи результати перетворення рівняння (2) зводиться до наступної системи у випадку двох пошкоджень:

або	(3)

де - сумарні амплітуди відбитих сигналів для зондуючого сигналу на двох різних частотах; , - сумарні кути зсувів фаз для зондуючого сигналу; , - кути зсуву фаз для -го пошкодження; - амплітуда відбитого сигналу від -го пошкодження.

Як один з методів розв'язку систем нелінійних рівнянь, можна використати відомий метод ітерацій, який полягає у визначенні значень у деяких інтервалах [], які задовольняють початковій системі рівнянь. В даному випадку, інтервал [] описує множину відстаней до пошкодження . Для кожного з пошкоджень визначається свій інтервал відстаней.

Враховуючи, що для фазового методу точність визначення амплітуди сигналу та зсуву фази є набагато більшою, можна прийняти, що та , де та - деякі константи. Тоді отримаємо:

	(4)

де - відстань до першого пошкодження; - відстань до другого пошкодження; , - частоти зондування лінії зв'язку для методу вимірювання кутів зсуву фаз; - швидкість розповсюдження сигналу в лінії.

Для практичного розв'язку системи рівнянь запропоновано розв'язання системи (4) ітераційним методом. У якості критерію розв'язку цієї системи рівнянь, встановлені умови визначення оптимальних зондуючих частот на яких виконується вимірювання кутів зсувів фаз. Визначено, що частоти, які наближаються до та будуть задовольняти умові збіжності, тобто давати розв'язок системи. Результатом розв'язку системи (4) будуть уточнені значення відстаней до пошкоджень та , що лежать в інтервалах та , де - похибка визначення відстані імпульсним методом.

Проведено аналіз методичних похибок імпульсно-фазового методу. Встановлено, що похибка визначення відстані до пошкодження імпульсним методом значно більша за похибку визначення фазовим методом. Сумарна похибка визначення відстані до пошкодження у лінії зв'язку обумовлена похибкою визначення часу затримки , яка складається з похибки вимірювання часу та часу визначення зміни рівня сигналу . Також існує похибка визначення амплітуди сигналу .

Похибка фазового часу затримки для фазового методу є:

	(5)

де - похибка вимірювання зсуву фаз; - частота.

Визначено, що використання результатів вимірювання кутів зсувів фаз має потенційну можливість покращення результатів вимірювання відстані у провідниковій лінії зв'язку на 2 порядки.

У четвертому розділі запропонована загальна структурна схема вимірювача відстані (рис. 3), який реалізує імпульсно-фазовий метод. Визначено послідовність етапів проведення процесу вимірювання. Запропоновано та розглянуто структурну схему пристрою.

Рис. 3. Загальна структурна схема вимірювача відстані до пошкоджень у провідниковій лінії зв'язку

Приведені діаграми роботи пристрою, де приведені основні сигнали пристрою та показаний взаємозв'язок між цими сигналами у часі. У загальному вигляді, процес вимірювання відбувається за наступною послідовністю дій (етапів):

1. Визначення кількості та наближеної відстані до кожного з пошкоджень:

1.1. Формується імпульсний сигнал заданої тривалості , який подається у лінію.

1.2. Виконується вимірювання сигналу з лінії. Кожне відбиття визначає стрибки амплітуди у прийнятому сигналі. При цьому фіксується час появи відбиття та амплітуда .

2. Визначення зсуву фаз між зондуючим сигналом та відбитим.

2.1. Для встановленої частоти , з відомої відстані визначається зсув фаз , що формується кожним пошкодженням.

2.2. На виході вимірювача зсуву фаз формується безперервний синусоїдальний сигнал виду із відомою частотою зондування , який подається в лінію.

2.3. Від сигналу, який повертається з лінії, віднімається відомий сигнал від вимірювача зсуву фаз.

2.4. Цикл вимірювання 2.1-2.3 виконується для декількох частот. Таким чином отримаємо дані для розв'язку системи рівнянь.

3. Виконується розв'язок системи нелінійних рівнянь (3).

Розроблено структурну схему вимірювача відстаней до пошкоджень (рис. 4) із використанням засобів автоматизації, що дозволяє провести вимірювання лінії, що досліджується, у автоматичному режимі. У якості елемента керування запропоновано використання зовнішню ЕОМ.

Головними блоками вимірювальної системи є таки вузли як функціональний генератор та аналогово-цифровий перетворювач. Виконано розробку критичних для роботи вузлів за швидкодією - АЦП, за формою сигналів - функціональний генератор, а також дослідження АЦП з боку забезпечення вимірювання імпульсних сигналів із високою точністю. Для цього була розроблена та запропонована схема АЦП послідовного наближення із розділенням вимірювання у часі. Розроблено та досліджено АЦП послідовного наближення із розділенням у часі (АЦП ПНРЧ), структурна схема якого показана на рис. 5, на яку отримано також патент [12].

Рис. 4. Структурна схема автоматизованого вимірювача відстаней до пошкоджень

Рис. 5. Структурна схема АЦП послідовного наближення із розділенням у часі:

К - компаратор,

СТ - лічильник послідовного наближення,

СТЗ - лічильник затримки,

Г - генератор,

M - код часу затримки,

N - код перетворення аналогового сигналу на цифровий,

D - початкові данні лічильника СТ (початковий код для ЦАП та розряд лічби для лічильника СТ)

Розроблений функціональний генератор для формування зондуючих імпульсних та гармонійних сигналів. Виконано аналіз функціонального генератору з боку доступної елементної бази. Отримане значення частот генерації та визначений рівень похибки при зміні цих частот. Для побудови розглянутих вузлів запропоновано використання швидкісних МС ПЛІС серії MAX7000 фірми Altera, яки мають тактову частоту до 166 МГц.

Проаналізовані інструментальні похибки, що виникають у вимірювальному приладі в наслідок дискретизації за часом та квантування за рівнем вимірювального сигналу та розглянуті шляхи їх зменшення або компенсації. До інструментальних похибок відносяться: похибка встановлення нуля імпульсного сигналу; похибка визначення часу затримки ; похибка кута зсуву фаз ; похибка формування сигналу від компаратора .

У п'ятому розділі виконано перевірка імпульсно-фазового методу вимірювання шляхом розробки дослідної установки, що реалізує запропонований метод вимірювання відстаней до пошкоджень у провідникових лініях зв'язку за допомогою вже існуючих вимірювальних приладів (рис. 6). Встановлено значення похибки вимірювання відстані, що вносить блок підсилювачів П1-П4.

Рис. 6. Функціональна схема установки для дослідження послідовного імпульсно-фазового методу вимірювання відстаней: 1 - генератор, 2, 3 - вихідні підсилювачі, 4, 5 - датчики сигналу із високим опором, 6 - диференційний підсилювач, 7 - імпульсний вольтметр, 8 - лінія з 2-х частин, яка досліджується, 9 - вимірювачі зсуву фаз, 10 - вольтметр

Виконано дослідження лінії довжиною 900 м із двома пошкодженнями. Перше пошкодження - стрибок опору лінії (збільшення). Друге пошкодження - коротке замикання (у першому дослідженні) та розрив (у другому дослідженні). Встановлено збіжність отриманих практичних та теоретичних результатів, що підтверджує вірність положень запропонованого послідовного імпульсно-фазового методу вимірювання відстаней до пошкоджень. (рис. 7 та рис. 8). Відхилення від теоретичних значень склали 0,2% для випадку короткого замикання та 0,9% для випадку розриву на кінці лінії, що підтверджує вірність основних положень, закладених у модель лінії зв'язку та методу вимірювання відстаней до пошкоджень.

Рис. 7. Лінія 900м (пошкодження №2 - коротке замикання)

Рис. 8. Лінія 900м (пошкодження №2 - обрив)

Запропонована методика метрологічної атестації приладу, який реалізує імпульсно-фазовий метод вимірювання відстаней до пошкоджень у провідникових лініях зв'язку. Метрологічна атестація полягає у окремій повірці роботи імпульсного рефлектометра та вимірювача кута зсуву фаз. Запропоновані структурні схеми ввімкнення пристрою вимірювання відстаней до пошкоджень для перевірки їх метрологічних параметрів. Розроблено порядок проведення вимірювання метрологічних параметрів у режимах вимірювання імпульсної рефлектометрії та фазової дальнометрії.

Представлена інженерна методика розрахунку окремих вузлів автоматизованого вимірювача відстаней до пошкоджень через умови забезпечення необхідних характеристик приладу.

У додатках приведені результати моделювання формування сумарного зсуву фаз при різних довжинах хвиль; зміни зсуву фаз від зміни амплітуд відбиттів; приведені типові рефлектограми для металевих ліній; приведені електричні характеристики кабелів, що використовуються у побудові ліній зв'язку; варіант програми розрахунку відстаней ітераційним методом.

Висновки

1. В результаті проведеного аналізу існуючих методів вимірювання відстаней до пошкоджень встановлено, що існуючі методи не дозволяють ефективно вирішити задачу контролю стану низькочастотної лінії зв'язку. Це обумовлено низькою точністю визначення відстаней до декількох пошкоджень у низькочастотних провідникових лініях зв'язку Для вирішення задачі покращення контролю стану шляхом підвищення точності вимірювання відстаней до пошкоджень запропоновано використання послідовного імпульсно-фазового методу, що використовує результати імпульсної рефлектометрії та підвищення точності за допомогою результатів вимірювання кутів зсувів фаз на різних частотах, що отримані для цієї ж лінії.

2. Для розробки моделі імпульсно-фазового методу досліджено модель низькочастотної лінії для випадку двох пошкоджень. Встановлені формульні залежності, що дозволяють визначити сигнал на виході лінії при зондуванні її імпульсним сигналом та постійним у часі гармонійним сигналом. Визначені частотні властивості низькочастотної лінії.

3. Розроблено математичну модель імпульсно-фазового методу вимірювання відстаней до пошкоджень, що полягає у вимірюванні відстані імпульсним методом та уточненні її за допомогою вимірювання зсувів фаз для цієї ж лінії на різних частотах. Визначені критерії визначення оптимальних зондуючих частот при вимірюванні зсувів фази. Розроблено алгоритм визначення відстані ітераційним методом. Досліджені методичні похибки та встановлено, що похибки, що виникають при визначенні відстані до пошкоджень імпульсним методом є значно більшими за похибки визначення методу вимірювання зсувів фаз.

4. Запропонована загальна структурна схема вимірювача відстані, що реалізує запропонований метод вимірювання відстаней. Визначена послідовність етапів проведення процесу вимірювання. Приведені діаграми роботи пристрою, де приведені основні сигнали пристрою та показаний взаємозв'язок між цими сигналами у часі. Показаний послідовний опис всіх етапів вимірювання, для чого розглянута робота пристрою у часі.

5. Проведено аналіз та розробка критичних вузлів для реалізації пристрою автоматизованого вимірювання відстаней до пошкоджень. Визначені вузли: найбільш критичний до швидкодії - АЦП; до параметрів сигналів - функціональний генератор. Виконано дослідження АЦП з боку забезпечення вимірювання імпульсних сигналів із високою точністю. Розроблена схема АЦП послідовного наближення із розділенням вимірювання у часі. Досліджена реалізація функціонального генератору із використанням доступної елементної бази. Визначено значення частот генерації та визначений рівень похибки при зміні цих частот.

6. Проведено дослідження характеристик вимірювача відстаней до пошкоджень у провідникових лініях зв'язку. Для цього була виконана розробка функціональної схеми установки із застосуванням вже існуючих вимірювальних приладів. Встановлено збіжність отриманих практичних та теоретичних результатів, що підтверджує вірність положень запропонованого послідовного імпульсно-фазового методу вимірювання відстаней до пошкоджень.

7. Запропонована методика метрологічної атестації приладу, що реалізує розроблений імпульсно-фазовий метод вимірювання відстаней до пошкоджень у провідникових лініях зв'язку. Метрологічна атестація полягає у повірці роботи імпульсного рефлектометра та вимірювача кута зсуву фаз. Розроблено порядок проведення вимірювання параметрів у цих режимах.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Горященко К.Л. АЦП послідовного наближення із розділенням у часі для вимірювання сигналів відбиттів у імпульсної рефлектометрії // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2003. - №4. - Ч.2. - С. 70-75

2. Горященко К.Л. Визначення оптимальних частот зондування для комбінованого імпульсно-фазового методу вимірювання відстаней до неоднорідностей // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2004. - №2. - Ч.1.- Т.3. - С. 137-140.

3. Горященко К.Л. Генератор сигналів заданої форми на базі мікросхем великої ємності // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2004. - №1. - Ч.1. - С. 178-183.

4. Горященко К.Л. Імпульсно-фазові вимірювання для лінії із двома неоднорідностями // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - Хмельницький. - 2003. - №1. - С. 80-82

5. Горященко К.Л., Любчик В.Р. Імпульсно-фазовий метод вимірювання відстані до пошкоджень низькочастотних ліній зв'язку // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2002. - №1. - Ч.1. - С.196-200.

6. Горященко К.Л., Любчик В.Р. Розробка структурної схеми вимірювача відстаней до неоднорідностей на основі імпульсно-фазового методу // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2003. - №3. - Ч.2. - С.162-166.

7. Горященко К.Л., Любчик В.Р. Структурна схема імпульсно-фазового вимірювача // Конференція молодих вчених та студентів. - К.: КНУТД, 2003. - С. 57.

8. Горященко К.Л., Любчик В.Р., Троцишин І.В. Аналіз існуючих методів визначення відстані до декількох неоднорідностей у лініях зв'язку // Радіоелектроніка и Молодь у XXI столітті. Збірник наукових праць. - Харків, 2002. - С. 247-248.

9. Горященко К.Л., Любчик В.Р., Троцишин І.В. Аналіз можливостей існуючих методів визначення неоднорідностей для низькочастотних ліній зв'язку // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2002. - №3. - Т.1. - С. 168-173

10. Любчик В.Р., Горященко К.Л., Троцишин І.В. Математична модель імпульсно-фазового методу визначення неоднорідностей лінії зв'язку // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. Збірник наукових праць. - Хмельницький. - 2002. - №9. - Т.2. - С.72-75.

11. Пат. України № 64142 А. Кл. G01R31/08 від 16.02.2004 р. Спосіб визначення відстаней до місць пошкодження електричної лінії / К.Л. Горященко, В.Р. Любчик, І.В. Троцишин // Бюл. - 2004.- №2.

12. Пат. України на корисну модель № 5892. Кл. H03M1/38 від 15.03.2005 р. Спосіб аналого-цифрового перетворювання сигналів імпульсної рефлектометрії / К.Л. Горященко, А.С. Моставлюк // Заявл. 11.10.2004, Опубл. 15.03.2005, Бюл. - 2005.- № 3.

АнотаціЇ

Горященко К.Л. Контроль відстаней до пошкоджень в низькочастотній лінії зв'язку імпульсним та фазовим методами, що використовуються почергово. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
за спеціальністю 05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення
складу речовин. - Київський національний університет технологій та дизайну, Київ, 2005.

У дисертаційній роботі викладені результати теоретичного та експериментального досліджень, що пов'язані із розробкою методу вимірювання відстаней до пошкоджень у низькочастотній провідниковій лінії зв'язку на основі послідовного використання імпульсного та фазового методів і результатів їх сукупних вимірювань.

Встановлено, що підвищення точності вимірювання відстаней до пошкоджень у низькочастотній лінії зв'язку не вирішується окремо або імпульсним або фазовим методом. У роботі приведено класифікацію існуючих методів визначення відстаней до пошкоджень. Проведено аналіз їх переваг та недоліків. Встановлено, що використання результатів імпульсної рефлектометрії разом із результатами вимірювання кутів зсувів фаз на різних частотах дає потенційну можливість підвищити точність вимірювання на два порядки. Проаналізовано модель лінії у випадку двох пошкоджень. Розроблено послідовний імпульсно-фазовий метод контролю стану лінії зв'язку та досліджено його математичну модель. Запропоновано алгоритм пошуку відстаней з результатів імпульсної рефлектометрії та фазової дальнометрії ітераційним методом. Встановлені критерії визначення оптимальних зондуючих частот, на яких виконуються вимірювання кутів зсувів фаз. Розроблено структурну та функціональну схеми автоматизованого вимірювача відстаней до пошкоджень. Запропоновано нові схемотехнічні рішення реалізації окремих вузлів вимірювача. У експерименті визначено, що точність визначення відстаней до пошкоджень покращується на один порядок.

Ключові слова: низькочастотна лінія зв'язку, вимірювання кутів зсуву фази, імпульсна рефлектометрія.

Горященко К.Л. Контроль расстояний до повреждений в низкочастотной линии связи импульсным и фазовым методами, которые используются попеременно. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля и определения состава вещества.- Киевский национальный университет технологий
и дизайна, Киев, 2005.

В диссертационной работе изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований, связанных с разработкой метода измерения расстояний до повреждений в проводниковых линиях связи на основе последовательного использования импульсного и фазового методов а также результатов их совместных измерений.

В роботе приведено классификацию существующих методов определения расстояний до повреждений. Выполнен анализ их достоинств и недостатков. Установлено, что увеличение точности измерения расстояний в низкочастотной линии связи не достигается импульсным или фазовым методом. Показано возможность увеличения точности измерения расстояний, полученных импульсным методом, используя результаты измерений углов сдвигов фазы на разных частотах. Для решения этой задачи была разработана и проанализирована упрощенная модель низкочастотной линии связи в случае наличия двух повреждений в ней, где первое повреждение - изменение продольного или волнового сопротивления, а второе - короткое замыкание или обрыв. Установлено, что при зондировании линии импульсным сигналом не происходит интерференции отраженного сигнала с зондирующим. Также определено, что при условии равномерности АЧХ в рабочей полосе частот и равности амплитуд зондирующих импульсного и гармонического сигналов, амплитуды отраженных сигналов от одних и тех же повреждений будут равны между собой.

На основе упрощений, заложенных в модель линии, разработан последовательный импульсно-фазовой метод измерения расстояний до повреждений в проводниковой линии связи и исследовано его математическую модель. Предложен алгоритм поиска расстояний используя результаты импульсной рефлектометрии и фазовой дальнометрии итерационным методом. Из условия решения системы нелинейных уравнений, которая описывает связь между результатами импульсной рефлектометрии и фазового метода (метода измерения углов сдвигов фаз на разных частотах), установлены условия определения оптимальных зондирующих частот, на которых необходимо проводить измерения углов сдвигов фаз в предложенном методе.

Установлено, что использование последовательного импульсно-фазового метода имеет теоретическую возможность увеличения точности определения расстояний до повреждений на два порядка, по сравнению с классическим импульсным методом.

Разработано структурную и функциональную схемы автоматизированного измерителя расстояний до повреждений, который использует предложенный метод. Предложены новые схемотехнические решения в реализации отдельных, критичных в роботе узлов измерителя - АЦП (по быстродействию) и функциональный генератор (по форме сигналов). Предложены средства метрологического обеспечения, а также методика проведения метрологической аттестации роботы как отдельных узлов прибора, так и прибора в целом. Выполнено исследование предложенного метода с использованием существующих измерительных приборов. Установлено, что экспериментальная точность измерения расстояний до повреждений улучшается на один порядок.

Ключевые слова: низкочастотная линия связи, измерение углов сдвига фазы, импульсная рефлектометрия.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Horyashchenko K. The controlling of distances before damages in a low-frequency communication net by impulse and phase methods, which are used alternately. - The manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. behind a specialty 05.11.13 - devices and a quality monitoring and definitions of structure of substance. - the Kiev national university of technologies and design, Kiev, 2005.

Is this thesis described results of theoretical and experimental researches, which related with design of a method of measurement of distances before damages in conduction low-frequencies communication nets. This method is based on use of impulse reflectometry, phase method of measurement and results of their simultaneous measurements.

In the thesis, classification of present methods of definition of distances to damages is adduced. The analysis of their advantages and lacks is made. The model of a communication line parsed in case of two damages at once. The consequent impulse-phase method and its mathematical model are designed. The distances search algorithm by using results of impulse reflectometry and phase method of measurement with an iteration method offered. Established, that usage of a consequent impulse-phase method has a capability to increase accuracy of distance definition up to two orders, if comparing with general-purpose impulse method. The structural and functional schemes of the automated distance-measurer are designed. Those schemes designed for use with an offered method. New schematics implementations of separate modules of a measurer are offered. Metrology maintenance is presented. Technique of realization of metrology certification of the device's parts and device as a whole are obtained. The submitted method was checked by comparing results of designed breadboard with laboratory device that was based on existing measuring instruments. In experiment was founded a capability to increase accuracy of distance definition up to one order.

Keywords: Low frequency communication line, angular measurement of a phase shift, impulse reflectometry.

Размещено на Allbest.ru

...